Il termine EPS comparve per la prima volta nel 1982, quando vennero indicati come le sostanze di origine biologica responsabili della formazione di aggregati microbici. L’EPS veniva definito come un gel estremamente idratato (98% di acqua) costituito da una rete di fibre da un consorzio di specie microbiche in esso incapsulate, che può includere sia cellule procariotiche che eucariotiche.
Il termine EPS associato ai biofilm è stato per anni l’acronimo di esopolisaccaridi.
Gli EPS hanno lentamente guadagnato l’attenzione di più ricercatori, riconoscendo il ruolo fondamentale della matrice. Una famosa pubblicazione del 1999 di Wingender et al. “Microbial Extracellular Polymer Substances” sottolineò per la prima volta anche il ruolo delle proteine come parte importante, costituente e significativa dell’EPS. Il termine è stato ampliato da “esopolisaccaridi” alla forma più generale di “sostanze polimeriche extracellulari”, che comprendevano proteine, acidi nucleici e lipidi, in contrapposizione agli “esopolisaccaridi” che ricoprirebbero solo un componente della matrice.
Tutti questi polimeri insieme formano la matrice complessa in cui vivono comunità microbiche estese che possono essere trovate sotto forma di aggregati mobili e/o film stazionari. Aprendo la finestra su un’ulteriore rilevanza dell’EPS, gli autori affermavano che per aumentare la complessità, non solo sono presenti una varietà di diversi polimeri extracellulari nella matrice, ma è probabile che molti di questi polimeri interagiscano tra loro a seconda della loro composizione chimica, natura e posizionamento.
Struttura dell’EPS
Già nel 1978, in una pubblicazione di Geesey et al. era stato affermato che i biofilm non fossero semplicemente un accumulo di batteri ma siano ben strutturati e organizzati.
Fu opera di Thomas Neu e John Lawrence, grazie all’utilizzo della microscopia confocale a scansione laser (CLSM), la generazione delle prime immagini fantastiche di questa complessità, rivelando chiaramente che la matrice EPS è altamente strutturata con componenti e zone distinte, e non solo un gel amorfo.
Un’altra pietra miliare nell’esplorazione della struttura della matrice EPS è stata l’introduzione di microelettrodi all’interno della matrice stessa. In questo modo si è potuto studiare per esempio la diversa distribuzione dell’ossigeno al suo interno e i gradienti di pH. Proprio lo studio della distribuzione dell’ossigeno ha permesso, per esempio, di comprendere come fosse possibile che all’interno della stessa matrice potessero coesistere microrganismi aerobi e anaerobi. Questa coesistenza che potrebbe sembrare “contro-natura” in realtà è possibile grazie al fatto che i microrganismi aerobi, consumando velocemente l’ossigeno prima ancora che questo possa diffondere negli strati più profondi della matrice, contribuiscono alla formazione di sacche anaerobiche dove possono vivere microrganismi anaerobi.
Funzioni dell’EPS
La strada dall’EPS come matrice amorfa a quella di una struttura funzionale e differenziata, come mostrato nella figura in basso, è stata molto lunga. Questa visione è cambiata radicalmente nel corso degli anni. Infatti, la matrice rappresenta il palcoscenico per l’emergere delle straordinarie proprietà dei biofilm.
Queste proprietà si osservano durante il processo di auto-organizzazione del biofilm in sistemi complessi. Qui le proprietà dei microrganismi all’interno della comunità sono differenti da quelle osservate sugli organismi stessi presi singolarmente.
Una conseguenza è la formazione dell’habitat del biofilm, caratterizzato da forti gradienti, elevata biodiversità e interazioni complesse, dinamiche e sinergiche tra cui un maggiore trasferimento genico orizzontale e vere caratteristiche di multicellularità.
I componenti agglomerati nella matrice non sono solo un ammasso di macromolecole ma svolgono molte funzioni importanti nella vita delle cellule del biofilm. La coesione e la stabilità meccanica dei componenti dell’EPS sono fornite da deboli interazioni fisico-chimiche e legami tra proteine e polisaccaridi, acidi nucleici nonché da curli, fimbrie, cellulosa e sostanze amiloidi. Il ruolo dei singoli componenti dell’EPS può essere molto importante. Nella tabella in basso vengono riportate alcune funzioni note espletate dalle diverse componenti dell’EPS.
| FUNZIONE DELL’EPS | AZIONE SULLA COMUNITA’ MICROBICA | COMPONENTI DELL’EPS COINVOLTE |
| ADESIONE | Colonizzazione di superfici biotiche a abiotiche da parte di cellule plactoniche | Polisaccaridi, proteine, eDNA |
| AGGREGAZIONE | Riconoscimento tra microrganismi differenti, formazione di zone ad alta densità microbica | Polisaccaridi, proteine, DNA |
| COESIONE | Creazione di una rete polimerica idratata grazie ad elementi funzionali, determinazione dell’architettura dell’EPS | Polisaccaridi, proteine, DNA |
| TRATTENIMENTO DI ACQUA | Mantenimento di zone altamente idratate, favorendo la resistenza anche in ambienti molto secchi | Polisaccaridi e proteine idrofilici; proteine idofobiche a formare uno strato protettivo che limiti la perdita di acqua |
| BARRIERA PROTETTIVA CONTRO AGENTI ANTIMICROBICI | Resistenza specifica e aspecifica ad altri microrganismi e/o cellule, tolleranza a vari agenti antimicrobici e a disinfettanti | Polisaccaridi e proteine |
| ASSORBIMENTI DI COMPOSTI POLARI E IONI INORGANICI | Accumulo di nutrienti dall’ambiente esterno e di ioni per favorire la formazione di una rete polimerica resistente | Polisaccaridi e proteine |
| ASSORBIMENTO DI PARTICELLE E COMPOSTI APOLARI | Accumulo di risorse dall’ambiente esterno alla matrice | Polisaccaridi e proteine, componenti adesive della matrice |
| AUMENTO DELLA CAPACITA’ DI ASSORBIMENTO | Tramite attività enzimatiche specifiche o formazione di vescicole viene incentivato l’assorbimento di sostanze utili | Enzimi, proteine, vescicole di membrana |
| ATTIVITA’ ENZIMATICHE | Digestione di molecole esterne per favorirne la migrazione, degradazione di zone di matrice per favorire il rilascio di cellule | Proteine |
| FONTE DI NUTRIENTI | La matrice è stessa stessa fonte di carbonio, fosforo e azoto per le comunità presenti | Tutte le componenti dell’EPS |
| SCAMBIO DI INFORMAZIONE GENTICA | Trasferimento orizzontale di geni tra cellule all’interno della comunità microbica | DNA |
| INFORMAZIONI INTRACELLULARI | Regolazione delle dinamiche del biofilm tramite Quorum sensing | Polisaccaridi |
| LEGAME CON ENZIMI | Accumulo, trattenimento e stabilizzazione di enzimi tramite l’intererazione con i polisaccaridi | Polisaccaridi, enzimi |
Nella seconda parte della pubblicazione affronteremo altre caratteristiche importanti della matrice polimerica, e il ruolo che il nostro brevetto enzimatico BIOREM® può esercitare nella sua rimozione.
